ルーツブロワー

ルーツブロワーは容積式 ローブポンプで、一組の引き伸ばされたギアに似た一対の噛み合ったローブで流体を送り出すことで動作します。流体はローブを囲むポケットに閉じ込められ、吸気側から排気側へ運ばれます。

ルーツブロワーの設計では、空気やその他の流体が通過する際に容積が減少したり圧力が上昇したりすることはありません。そのため、cozette、centric、Shorrock スーパーチャージャー、Powerplus スーパーチャージャー、および内部に「圧縮」機能を持つ軸流イートン型スーパーチャージャーなどの他の「スーパーチャージャー」の設計とは異なり、スーパーチャージャーというよりはブロワーと呼ぶのが適切です。

ルーツ式ブロワーの最も一般的な用途は、デトロイト・ディーゼルやエレクトロ・モーティブ・ディーゼルが製造する2ストローク・ディーゼルエンジンの吸気装置である。ルーツ式ブロワーは、歯付きベルトまたはVベルト、ローラーチェーン、またはギアトレインを介してエンジンのクランクシャフトから駆動され、 4ストローク・オットーサイクルエンジンの過給にも使用される。

ルーツ式送風機は、インディアナ州コナーズビルのルーツブロワー社の創設者で、アメリカの発明家フィランダー・ルーツとフランシス・マリオン・ルーツ兄弟にちなんで名付けられました。ルーツ兄弟は、高炉やその他の産業用途で使用する空気ポンプの基本設計を1860年に特許取得しました。1900年にゴットリープ・ダイムラーは、特許取得済みのエンジン設計にルーツ式送風機を組み込み、ルーツ式送風機は現在入手可能なさまざまな設計の中で最も古いものとなりました。ルーツ送風機は、一般的に空気送風機またはPD（容積式）送風機と呼ばれています。^[1]

ルーツ型ブロワーはシンプルで広く使用されています。他のスーパーチャージャーよりも、低エンジン回転数で正の吸気マニホールド圧（大気圧以上）を発生させる効果が高いため、乗用車用途でよく使用されています。最大トルクは約 2000 rpm で達成できます。基本的な図とは異なり、最近のルーツ型スーパーチャージャーのほとんどは 3 ローブまたは 4 ローブのローターを採用しています。これにより、ローブがローター軸に沿ってわずかにねじれる^[要説明]ため、入力と出力の脈動が軽減されます（これは 2 ローブでは非現実的です。わずかなねじれでも、特定の角度でスーパーチャージャーを通過する自由経路が開く可能性があるためです）^[要出典]。

蓄積された熱は、内燃機関のコンプレッサーの動作において重要な考慮事項です。 3つの基本的なスーパーチャージャータイプのうち、ルーツ設計は歴史的に、特に高圧力比で熱効率が最も悪かった。 ^{[2] [3]}理想気体の法則によれば、圧縮動作により圧縮出力の温度が上昇します。 さらに、コンプレッサーの動作自体にはエネルギー入力が必要であり、これが熱に変換されてコンプレッサーハウジングを介してガスに伝達され、ガスをさらに加熱します。インタークーラーはターボチャージャーでの使用でよく知られていますが、スーパーチャージャーでもインタークーラーの使用からメリットを得ることができます。 内燃は熱力学サイクルに基づいており、吸入チャージの温度が低いほど熱力学的膨張が大きくなり、その逆も同様です。高温の吸入チャージはガソリンエンジンでデトネーションを引き起こし、ディーゼルエンジンではピストンを溶かす可能性があります。一方、インタークーリングステージは複雑さを増しますが、入力チャージの量を増やすことで、エンジンの容量が上がったのとまったく同じように出力を向上させることができます。インタークーラーは、圧縮によってもたらされる熱 (パワー) を失うことで熱力学的効率を低下させますが、各サイクルの作業質量が増加するため、利用可能なパワーが増加します。約 5 psi (35 kPa) を超えると、インタークーリングの改善は劇的になります。^[要出典]ルーツ型スーパーチャージャーでは、ブロワーとエンジンの間に薄い熱交換器を追加する方法が効果的に採用されています。水は、この熱交換器を通じて、車両の前部近くに設置された 2 番目のユニットに循環され、そこでファンと周囲の空気の流れによって、集められた熱を放散できます。

ルーツ設計は、2 ストローク ディーゼル エンジン(ゼネラル モーターズのデトロイト ディーゼル[トラックとバス] 部門とエレクトロ モーティブ[鉄道] 部門で普及) で一般的に使用されていましたが、これらのエンジンでは、独立した吸気行程がないため、何らかの強制誘導が必要になります。コマーとカリアーの車両に使用されているルーツ社の2 ストローク ディーゼル エンジンには、ルーツ タイプのブロワーが搭載されていましたが、この 2 つの会社には関連がありません。

トップフューエルエンジン、ファニーカー、その他のドラッグスター、さらにはホットロッドに使用されているスーパーチャージャーは、実際にはゼネラルモーターズコーチ部門の産業用ディーゼルエンジン用ブロワーの派生品であり、ドラッグレースでの自動車使用に適応させられました。これらのユニットのモデル名はサイズを表しています。かつて一般的に使用されていた4-71および6-71ブロワーは、 71シリーズのディーゼル用に設計されました。現在の競技用ドラッグスターは、71シリーズに設計が似ているが、容量を増やすためにローターとケースの長さを増やしたアフターマーケットのGMCバリアントを使用しています。ホットロッダーは、複製された6-71も使用しています。

ルーツブロワーは、比較的小さな圧力差で大量の空気を移動させる必要がある用途で一般的に使用されます。これには低真空用途が含まれ、ルーツブロワーは単独で、または高真空システムの一部として他のポンプと組み合わせて機能します。非常に一般的な産業用途の1つは空気輸送システムであり、^[4]ブロワーはパイプを介してバルク固体を移動させるために大量の空気を送ります。

一部の民間防衛サイレンは、ルーツブロワーを使用してローター（チョッパー）に空気を送り込み、すべての音域で音の出力を大幅に増加させました。最もよく知られているのは、Federal Signal Thunderbolt シリーズと ACA（現在の American Signal Corporation）Hurricane です。これらのサイレンは「スーパーチャージサイレン」として知られています。

ルーツブロワーは、ガスメーターなどでガスや液体の流量を測定するために逆に使用されることもあります。

ルーツブロワーは航空機の客室加圧に使用され、最初は第二次世界大戦直前に研究され（マーシャルスーパーチャージャーを使用）、サージョージゴッドフリーアンドパートナーズなどの企業によって製造され、1960年代まで出荷数が増加していましたが、後にジェットエンジンの圧縮段からのエアブリードに取って代わられました。^[5]

ルーツブロワーの最も単純な形式は、サイクロイドローターで、ハイポサイクロイド曲線とエピサイクロイド曲線の接線セクションが交互に配置されています。2 ローブ ローターの場合、小さい方の円の直径は大きい方の円の 4 分の 1 です。実際のルーツブロワーは、効率を高めるために、より複雑なプロファイルになっている場合があります。1 つのローターのローブは、すべての位置で最小限の遊びでもう一方のローターを駆動しないため、別のギア ペアでローブの位相を調整します。

ロータリー ローブ ポンプはローブ間のクリアランスを維持する必要があるため、単段ルーツ ブロワーは限られた圧力差でのみガスをポンプできます。ポンプを仕様を超えて使用すると、ガスの圧縮によって十分な熱が発生し、ローブが膨張して詰まり、ポンプが損傷します。

ルーツポンプは大容量のポンプが可能ですが、中程度の圧縮しか達成できないため、ガスを冷却するために熱交換器(インタークーラー) を間に挟んだ複数のルーツブロワーステージが見られることも珍しくありません。ポンプ表面に油がないため、汚染制御が重要な環境でもポンプを動作させることができます。炭化水素のポンプ速度が高いため、ルーツポンプは、回転式圧縮ポンプなどの油ポンプと真空チャンバー を効果的に分離できます。

バリエーションでは、より高い圧縮率を得るために爪状のローターを使用します。

ルーツ型ブロワーは、最大圧力比 2 を達成しながら、約 70% の効率を達成できます。より高い圧力比も達成できますが、効率は低下します。ルーツ型ブロワーは、スクリュー コンプレッサーとは異なり、空気を離散的なパルスで送り出すため、脈動ノイズと乱流が下流に伝わる可能性があります。適切に管理 (出口配管の形状による) または考慮 (下流コンポーネントの構造的補強による) されていない場合、結果として生じる脈動により、流体キャビテーションが発生したり、ブロワーの下流コンポーネントが損傷したりする可能性があります。

特定の条件下で稼働する任意のルーツブロワーでは、マップ上に 1 つのポイントが表示されます。この点はブーストが増加すると上昇し、ブロワー速度が増加すると右に移動します。中程度の速度と低ブーストでは、効率が 90% を超えることがわかります。これは、ルーツブロワーが本来動作するように意図されていた領域であり、ルーツブロワーはこれに非常に適しています。

ブーストは圧力比で表されます。圧力比は、ブロワー前の絶対空気圧とブロワーによる圧縮後の絶対空気圧の比です。ブーストがない場合、出口圧力が入口圧力に等しいため、圧力比は 1.0 (1:1 を意味します) になります。参考のために 15psi ブーストが示されています (大気圧と比較して圧力比 2.0 よりわずかに上)。15 psi (100 kPa) のブーストでは、ルーツブロワーは 50% から 58% の間を推移します。小型ブロワーを大型ブロワーに交換すると、ポイントは左に移動します。ほとんどの場合、マップが示すように、小型ブロワーはチャートの右側で高速で動作していた可能性が高いため、これにより左側の効率の高い領域に移動します。通常、大型ブロワーを使用して同じブーストを達成するために低速で動作させると、コンプレッサーの効率が向上します。

ルーツ型ブロワーの容積効率は非常に優れており、通常、最低ブロワー速度以外では 90% 以上を維持します。そのため、低効率で稼働しているブロワーでも、機械的には意図した量の空気をエンジンに送りますが、その空気はより高温になります。ドラッグ レースの用途では、大量の燃料がその高温の空気とともに噴射されるため、燃料を気化させることで熱を吸収します。これは一種の液体アフタークーラー システムとして機能し、その用途でのルーツ設計の非効率性を打ち消すのに大いに役立ちます。

ロータリー ローブ ブロワーは、高真空アプリケーションでは一般にブースターと呼ばれ、スタンドアロン ポンプとしては使用されません。高真空アプリケーションでは、ブースターのポンピング速度を利用して、最終圧力を下げ、ポンピング速度を上げることができます。

ファン ファンは 圧力上昇が少ないため、大量のガスを移動させるのによく使用されます。ファンは、建物内の空気の循環、機械の換気、冷却装置、その他の産業用途によく使用されます。

ブロワー ブロワーは、中程度の圧力レベルで中程度の空気の流れを作り出すことができます。ファンよりも高い圧力が必要な用途で使用されます。

コンプレッサー コンプレッサーは、産業用途において、通常、より少ない空気流量で 8 ～ 12 バールの高圧空気を生成します。

「ブロワー」という用語は、一般的に、直接的な機械的リンクをエネルギー源として、追加の空気の流れを必要とするエンジンに設置された装置を定義するために使用されます。ブロワーという用語は、さまざまなタイプのスーパーチャージャーを説明するために使用されます。スクリュー型スーパーチャージャー、ルーツ型スーパーチャージャー、遠心型スーパーチャージャーはすべて、一般的にブロワーと呼ばれるタイプですが、内部容積の減少/圧力上昇のない容積式ポンプ「ブロワー」であるルーツ型スーパーチャージャーと、内部圧縮があり、より正確にはスーパーチャージャーと呼ばれる他のタイプのスーパーチャージャー（偏心ベーン パワープラスやイートン軸流など）との間には違いがあります。

逆に、ターボチャージャーは、直接的な機械的リンクではなく、排気圧縮を利用してタービンを回転させるため、一般的に「ブロワー」ではなく単に「ターボ」と見なされます。

• ドラッグレースでは、プロのドラッグレースクラスで、T/Fトップフューエルドラッグスター、ニトロメタン燃料を使用するF/Cフューエルクーペファニーカー、アルコール燃料を使用するT/ADドラッグスターとTA/FCファニーカー、メタノール燃料を使用するプロモディファイドにルーツタイプのスーパーチャージャーが使用されています。